Квантовый вариометр

НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО ПРИ КАБИНЕТЕ МИНИСТРОВ(72) ВА.Нарнненко П.Ф.федосеев В.П.Шевченно И Г.В.Шишкнм 71) Казахский опытноэкспернментальный завод геофизических приборов Казгеофизприбор Научнонпроизводч ственного объединения Рудгеофизика(56) Патент СА Ю 3252081. кл.324 05, 1966. Авторское свидетельство СССР о г 1 з 357 в кл. а 01 ч 3/па, 1983.(5) Изобретение относится к нагнитонетрнческой технике н может быть использовано в геофизике н измереннях переменного магнитного поля ес тественного н искусственного происхождения. Цель изобретения расшнтрение динамического диапазона Регистт рируемых переменным мегнитныш полей.Квантовый варнометр содержит квантовый датчик, автокоррелнционный дено дулятор регистратор, фильтр помехи Кроме того, в него введены устройство оереноса спектра сигнала, два устройства управпейий оентиваторомУстройство переноса спектра сигнала содержит кворцевы генератор, два перемножителя сигналов, два фильтра нижних частот, два синтезатора сетки частот. Устройство управления синтезаторон выполнено в виде компаратора кодов, датчика кода установки, ВЗтриггера, элемента И, генератора такт товык ипупьсов, формирователя ипульсов преобразователя частоты в код. Автокорреляцнонный денодулятор содержит фазовый фильтр, два компаротора наприения, два источника опорного напряжения, аналоговый кпчд фильтр нижний частот, элемент исклюЧАЮЩЕЕ ИЛИ 3 з.н. фалы, 1 ил.Изобретение относится к магнито метрической технике и может быть использовано в геофизике при измерениях переменного магнитного поля естественного н искусственного происходдеЦелью изобретения ввлнется расширение дополнительного диапазона рет гистрируемых переменных магнитных полей.На чертеже представлена структурКвантовы вариометр имеет кванта. вый датчик 1, содержащий например,ячейку 2 поглощения, спектральнуюлампу 3, генератор Ь возбуждения спектральной лампы, фокусирующие пивч вы 5 и 6, круговой поляризатор 7,,7 фотоприемник В и усилитель 9, подключенный через резистор 10 к Редкой частотной катуые 11. Выход рснлитее ля 9, являющийся выводом квантового датчика 1 подключен к входу устрои ства 12 переноса спектра сигнала, между первым выходом и вторым входом которого включено первое устройство 13 управления, а между вторы выоч дом и третьим входом второе устройство 14 управления. Крометого второй выход устройства 12 переносаавтокорреляциовного демодулятора 15,вышод которого подключен к регистра тору 16 и фильтру 17 помехи, соедиванному с радиочастотной катушой 11. Второй вход второго устройства 1 дпервого устройства 13 управления второй вход которого соединен с линией Пуск.Устройство 12 переноса спектра сигнапа содержит кварцевьй генератор 1 В первый 19 и второй 20 перемножитеч пн сигналов, первый 21 и второй 22 фильтры нижних частот, первый 23 н второй 24 синтезаторы сетки частот,входы которых объединены с выходом кварцевого генератора 18. вторые входы первого 23 и второго 24 сннте заторов сетки частот являются соот ветственно вторьш и.третьнм входамиУСТРОЙСТЕВ 121 переноса спектра сигд пала, а выходы синтезаторов сетки частот подключены к вторым входам первого 19 и второго 20 перемножнте лей сигналов, вьшоды которых соединет Ны с входами первого 21 и второго 22 фильтров нижних частот. Выход первогофильтра 21 нижних частот соединен спервьш входом второго перемножителя 20 частот илвпяется первым входом устройства 12 переноса спектра сигнала, вторым выходом которого является выход второго фильтра 22 нижних частот, а первым входом .первый вход первого перемножителя 19 сигналов. Первое устройство 13 управления выполнено в виде компаратора 25 кодов, датчика 26 кода уставки. ВЗтриггера 27, элемента И 28, генера тора 29 тактовых импульсовформирователя 30 импульсов и преобразователя 31 частоты в ход, вход которого является входом первого устройства 13 управления. Выходная шина преобравоввтепн 31 частоты в код соедине на с первой входной шиной компаратора 25 кодов, вторая входная шина которого подключена к выходу датчика 26 кода уставкн а выход соединен с первым входом КБ-триггера 27. ВторойФормирователь 30 импульсов к линии. Пуск, а вышод к первому входуэлемента И 28, второй вход которого соединен-с выходом генератора 29 тектовыш импульсов. Выход элемента И 28 является первым, а выход ВЗтриггера Н вторм выводами первого устройства 13 управленияАвтокоррелвционный денодупятор 15 состоит нз.фазового фильтра 32 первогоЗ 3 ивторого 34 компараторов напряжения, элемента НСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 35, источников 36 и 3 опорного нач прядения, аналогового ключа 28 И третьегофнльтра 39 нижних частот выход которого является выщодом автокорреляционного демодулятора 15 входом евтохорреляционного демодулятора 15 является вход фазового фильтра 32. Вход и выход фазового фильтра 32 через компараторы 33 и 34 напряжения подключены к входам элевента ИСКПЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 35,-выход кот торого соединен с третьим входом аналогового ключа 38. Два входа клю ча 38 подключены х источникам 36 и 37 опорногоиапряження, а общд вые ход ключа к входу третьего фильтра 39 нижних частот. .Квантовый вариометр работает следующим образом.Сигнал с выхода квантового датчи ка 1, частота колебаний которогопропорцнональна модулю вектора индукции внешнего магнитного поля,-являющегои ся суммой векторов магнитного поля Земли и других постоянных и переменных нагнитньт полей естественного н.искусствеиного происхождения, поступаетна первый вход устройства 12 переноса спектра сигнала. Выходной сигнал квантового датчика имеет вид частотно-модулированного колебания,несущая частота которого, в основном,определяется постоянны магнитнымполем Земли, а-девиация частоты - нариациями магнитного поля Земли Ипеременнымимагнитнымипопянидругик источников.-Если вкачестве рабочего вещества в квантовом датчике использованы атом цезия (изотоп С 5),то при изменении магнитного поляЗенли от 20 до 100 мкТл несущаячастота колебаннй.выходного сигнала квантового датчика изменяется соотчи ветственно от 7 О до 350 кГц. Таким образом, для реализации порога чувствителвности квантового вариометра в 0,001 нТл необходио продетектировать частотном 0 дулированны сигнал,несущая частота которого составляет 0-350 кГц, а девиация частоты 35-а 0 гц.Детектирование сигнала осущест впяетсяавтокоррелнционным демодуля тором 15, но предварительно сигнал ь поступает на устройство 12 переноса спектра сигнала. Устройство 12 переноса спектра сигнала производит преобразование исходного частотног модулированногогсигнала с выхода квантового датчика 1 В част 0 тно-модулированный сигнал, несущая частота- которого мало отличается от заданнойфиксированной частоты. Значение частоты несущего колебания определяется параметрами приеневной в автокорретяционном демодулятора 15 линии задержки, выполненной в виде фазового фильтра 32. Продетектированный сигнал поступает на регистратор ЕЬ и фильтр 17 помехи, представляющий собой узкополосный полосовой фильтр настроенны на частоту помехи, например начастоту 50 Гц. Напряжение помехи с выхода фильтра 17 помехи создает в радиочастотной катушке 11 магнитное поле, которое компенсирует внешнееполе помехи в объеме ячейки поглоще ниц.Рассмотрим более подробно работу устройства 12 переноса спектра сигнала совместно с первым 13 и вторъм 14 устройствами управления.-В Устройства 12-переноса спектра сигнала реализован принцип двойного преобразования частоты. Этот принцип позволяет выполнить синтезаторы сетки частот в виде делителей частоты с переменны коэффициентом деления,осуществляющих прямое деление часто нТЫ СИГНаЛа ПОСТУПНЮЩЕГО С ВЫХОДЕ кварцевого генератора 18 и поэтомуимеющих высокую стабильность частоты При этом первый оиитезатор 23 сетки. частот неет диапазон перестройки,перекрывающий весь диапазон измене Нин несущей частоты квантового датчи ка 1, и редкую сетку частот, например ЧЕРЕЗ 20 кГц. Второй синтезатор 2 дчсетки частот имеет диапазон перестрейки, перекрыающнй шаг сетки часНачало работы устройства 12 переноса спектрасигнала определяется моментом появления перепада напряжения на линии Пуск, поступающего,например, от кнопки во время нажатия навее,.производиовооператором. По фронту напряжения формирователь 30 импульсов вырабатывает короткий импульс. Начиная с этого момента,на выходе 85-триггера 2 появляется потенциал, разрешающий прохождение через элемент И 28 импульсов с вымода генератора 29 тактовыш импульсов на второй вход первого синтезатора 23 сетки частот. Частота на выходе пер вого синтезатора 23 сетки частот. начинает изменяться с заданной скоростью, определяемой частотой тактовыш импульсов, до тех пор, пока разностная частота на вътоде первого фильтра 21 нижних частот не попадает в заданный диапазон частот. Это произойдет в тот момент, Когда выедной кодпреобразователя 31 частоты В код станет равным коду УСТНВКН И на выходе компаратора 25 КОДОВ ПОЯ ВНТСЯ ИМПУЛЬС. С ПВИХОДОМ ДЗННОГО НМ пульсана вход трнггера 27 на его выходе появится потенциал, запрещаю ЩНЙ ПРОХОЖДЕНИЕ ТЗКТОВЪЩ ИМПУЛЬСОВна первый синтезатор 23 сеткичаст 0 ТвАналогично выполнены и работают вторая часть устройства 12 переноса спектра сигнала и второе устройство Ед управления, начало работы которого.определяетсн моментом окончания работы первого устройства 13 управСНГНЗЛ 8 На ЗЗДЗННУЮ ЧЗСТОТУ ОПрЕДе ляетсякопнчеством разрядов преобраЗОВЗТЕПН 31 ЧЗСТОТЫ ВКОД Н ЛЗТЧИЕЭкн второго синтезатора 2 д сетки часВ основе работы автокорреляционд ного демодулятора 15 лежит использование фазового фильтра 32 на вход КОТОРОГО П 0 СТУПаТ ЧаСТОТНОМОДУПН рованныйснгнал от-устройства 12 пег реиоса спектра сигнала. -Пусть несущая часть частотно- модулированного сигнала точНосоот ветствует середине днскриинационной характеристики автокорреляционного демодулятора 15, В этом случае сигнал ЦОСТУПНЕТ На ЙЕВБЫЙ КОМПНРЗТОР 33 Напряжения, а через фазовый фильтр 332 на второй компаратор 34 напря женияо Компараторы напряжения формируют прямоугольные импульсы, фрон ТЫ КОТОВЫХ СООТВЕТСТВУЮТ переходамЧеРе 3 НУЛЬ входных напряженийд далееимпульсы поступают На фазовый детек тор, состоящий из элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 35, двух источников 36 и 37ключа 38 и третьего фильтра 39 нижч ннх частот. На выходе элемента ИСКЛЮ ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 35 сигнал имеет видмодуЬ лированных по длительности ипулъсов с частотой в два раза выше, чем час тота сигнала, приходящего на вход фатзового фильтра 32. При отсутствии девиации частоты длительность импульсов на выходе элемента ИСКЛЧАЮЩЕЕ.НПИ 35 равна паузе между импульсами.При поступлении на третий вход анало гового ключа 38 такого сигнала постоянное Напряенне на выходе третьего фильтра.39 нижних частот РЗВНО НУПю так как вход фильтра чеч рез общий выход аналогового ключа 38 ПОПЭРЕМННО ПОДКПЮЧЗЭТСЯ К ДВУМ.ИС точникам 36 и 37 опорного напряжения,ПОТЕНЦИЗЛЫ На КОТОРЫХ РЗВНЫ ПО МОДУ лю но имеют противоположный знак. Прй Наличии в сигнале-девиации ЧЗСТОТЫ на ВЫХОДЕ ЗВТОКОВРЕПЯЦНОННОГО деиодулптора 15 появится переменноенапряжение. Третий фильтр 39 нижних частот позволяет отделить спектр сиггнала от спектра несущей частоты. Иве точпики 36 и 37 опорного напряжения введены В ввтокоррелнцнониый демодупятор Т 5 для нормирования сигнала по амплитуде. Это позволяет исключить изменение коэффнцинта Передачи деМ 0 дулятора изза изменения амплитуды входного сигнала.Отклонение несущей частоты сигнаЛа ОТ ЗЗДЗННОЙ ПРИВОДИТ К ППЯВЛЕННЮВ ВЬШОДНОМ СНГНЗПЕ аВТ 0 К 0 ррЕПЯЦН 0 НН 0го демодулятора 15 постоянной составЛНЮЩЕЙ НЗЛИЧИЕ КОТОРОЙ ПРЗКТИЧЕСИ Не СКЕЗЫЗЕТСЯ На ДННЗМНЧССКОМ ДН 8 Па зоне ввиду ее малости.Перенос спектра сигнала на заданную несУЩУю иастоту позволяет исключить обратную связь по постоянному магнитному полю и тем саны уменьшить нижнюю границу полосы пропусканияКВЗНТОВОГО ВВРИОМЕТВЗ ДО нулевойчесчТОТЫ Использование данного варнометра позволит расширить круг задач, решаеМЫХ В ГЕ 0 фНЗИК ПОВЫСИТЬ КЗЧВСТЕО и достоверность данных при выполнеНИН магнитои ЭПЕКТРОРЗЗВЕДОЧНЫХ работ1 Квантовый варнометр содержащий квантовый датчик с радиочастотнойлятор,регистратор и фильтр помехи,вход которого соединен с выводом автокорреляционного демодулятора и ВХОДОМ регистратора, а ВЫХОД С рад диочастотной катушкой, о т п и ч а ю Щ Н й с я тем, что, с целью расширения ДИНаННЧ 8 СК 0 Г 0 ДЙЗПЗЭОНЗ регнстъ рируемых переменных магнитным полей,в него введены два устройства управления и устройство переноса спектра сигнала, первый вход которого соедиНВН С ВЫХОДОМ КВЗНТОБОГО датчика,второй и третий входы, а также первый И ВТОРОЙ выходы соединены СООТБЕТСТ ВНН 0 С ПЕВВЬМН ВЫХОДЗМН И ПЕРВЫМИ входами первого И второго устройств управления, при этом нервы вход второго устройства управления дополНИТВПЬНО СОВДННВН С ВХОДОМ ЗВТОКОР реляционного демодулятора, а вторые НХОДЫ ПЕРВОГО Н ВТОРОГО УСТРОЙСТВ